呼伦湖沉积物有机碳的分布特征.pdf

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农业环境科学学报2011,30(11)-2336-2340JournalofAgro—EnvironmentScience呼伦湖沉积物有机碳的分布特征宋文杰1，何江1∥，高际玫3，吕昌伟1，一，王维1’2，樊明德1’2，张家震1,2(1．内蒙古大学环境与资源学院，呼和浩特010021；2．内蒙古大学环境地质研究所，呼和浩特010021；3．内蒙古环境监测中心站，呼和浩特010011)摘要：以内蒙古高原湖泊呼伦湖为对象，开展了湖泊沉积物有机碳的分布特征研究。结果表明：呼伦湖沉积物中总有机碳(TOC)含量范围为9．18～61．68g·kg，平均34．64g·kg。1；重组碳(HFOC)含量范嗣为9．02-61．47g·kg～，平均34．32g·kg。1；轻组碳(LFOC)含量范围为O．02—0．86g·kg～，平均0．32g·kg～。TOC在空间分布I：呈现从北西向南东逐渐递减的趋势。表层沉积物中C／N的平均值为20．35，表明呼伦湖中有机质的多源性。关键词：有机碳；分布；沉积物；湖泊中图分类号：X524文献标志码：A文章编号：1672—2043(2011)11-2336—05CharacteristicsofOrganicCarbonDistributionintheSedimentofHulunhuLake，ChinaSONGWen-jiel，HEJian91·”，GAOJi-mei3，LUChang-weil⋯，WANGWeil'2FANMing-de“2ZHANGJia—zhenl’2(1．CollegeofEnvironmentandResources，InnerMongoliaUniversity，Huhhot010021，China；2．InstituteofEnvironmentalGeology，InnerMongoliaUniversity，Huhhot010021，China；3．InnerMongoliaEnvironmentMonitoringCenterStation，Huhhot010011，China)Abstract：Thetotalorganiccarbon(TOC)playsanimportantroleincarboncycles．TOCcallbedividedintolight-fractionorganiccarbon(LFOC)andheavy-fractionorganiccarbon(HFOC)usingthedensityfraetionationtechniquerecently，LFOCconsistsofvisiblepartlydecomposedplantmaterialatvariousstageofdecomposition，includesspore，seed，animalandmicrobialdebrisandsomesoilmineralspatti-cleassociatedwithplantdebris．Itisagoodindicatorforlabileorganiccarbon．AndHFOCconsistsofhumus，existingasstablecarbonp001．ThisstudywascarriedoutaboutthecharacteristicsorganiccarbondistributionsinthesedimentofHulunhulake，whichistheshallowlakeinaridareaswithintheMongolianPlateau．7I■eresultsindicatedthatthecontentofTOCrangedfrom9．18to61．68g·kg～．withtheaverageof34．64g‘kg一1；thecontentofHFOCrangedfrom9．02to61．47g·kg，withtheaverageof34．32g-kg一1；andthecontentofLFOCrangedfromO．02to0．86g·kg-1．withtheaverageof0．32g‘kg～．7I'hecontentofTOCshowedadecreasingtrendfromnorthwesttosoutheastinspatialdis-tribution．ThemeanC／Nratioofthesedimentwas20．35inthesurfacesedimentsofHulunhulake．WhichmeantthattheSOUI'CCoforganicmatterwasdiverse．Keywords：organicearbon：distributions；sediment；lake湖泊碳循环是陆地生态系统碳循环的重要组成部分。湖泊沉积物是有机碳的重要蓄积库，在全球碳循环中扮演重要角色11。2J。沉积物中的有机质可分为轻组有机质(LFOM，比重<1．7)和重组有机质(HFOM，比重>1．7)【3J。轻组有机质是具有高碳氮比的非矿物有机质㈣，与矿物相比，具有较高的周转速率和碳氮比及较低的相对密度，被认为是土壤(沉积物)中的易分解碳库161；重组有机质是轻组有机质彻底分解后残留的收稿日期：2011一03—28基金项目：国家自然科学基金(40863003)；内蒙古自然科学基金；内蒙古大学“科技创新团队”基金作者简介：宋文杰(1985一)，女，硕士，主要研究方向为环境地球化学及湿地科学。+通讯作者：何江E—mail：ndjhe@imu．edu．an或重新合成的、以芳香族物质为主体的有机质(主要是腐殖质)。湖泊沉积物中有机质组分的研究对碳循环机制研究具有重要意义。本文以内蒙古高原湖泊呼伦湖为研究对象，开展了湖泊沉积物中有机碳的组成及分布特征研究，以期为内蒙古自治区湖泊湿地资源的合理开发与保护利用提供科学依据，并为与湿润区湖泊的对比研究积累基础资料。1材料与方法1．1研究区概况呼伦湖(116。58’～117047’E，48040’～49。20’N)地处温带半干旱大陆性气候高纬度地区，是我国纬度最高的湖泊，是亚洲中部干旱地区最大的淡水湖，已列入 第30卷第1l期农业环境科学报国际重点湿地名录并被联合国教科文组织接纳为世界生物圈保护区，不仅是我国东北部蕈要淡水渔业水域，也是我国东北部以保护草原生态、湿地系统和珍稀濒危鸟类为主的最大综合性自然保护区。呼伦湖地区多年平均气温为一0．24℃，每年7月最高，平均值为20．34oC；每年1月最低，平均值为一22．58℃。呼伦湖主要补给水源为源于蒙古国东部的克鲁伦河、连接贝尔湖和呼伦湖的乌尔逊河以及海拉尔河，排泄河流为中俄界河～额尔古纳河，并经额尔古纳河外流人鄂霍茨克海。湖区东北部的新开河为吞吐性河流，高水位时，海拉尔河通过新开河补给呼伦湖。呼伦湖历史最大蓄水量为138．5亿m3、最大面积2300余km2。近40多年以来，由于气候变化和人类活动的影响，水源补给河流水量减少，致使湖泊水位逐年下降、水面减小、湿地萎缩、湖水盐碱、氟、氨氮等严重超标。1．2样品采集依据《湖泊生态系统观测方法》，针对湖泊现有水Z49．1g4948．948．848．748．6域面积及湖泊牛态系统类型，于2008年8月对呼伦湖进行了系统的现场监测和样品采集。表层沉积物和沉积物柱芯用挪威Swedaq公司产KCmod—AochB型无扰动采样器采集，沉积物柱芯现场以2om间隔分层。沉积物样品装入聚乙烯塑料袋封口后冷藏，带回实验室于一24℃冷冻保存。采样站位用GPS定位，并结合地形图进行校正(图1)。1．3分析方法轻、重组有机碳的分离采用改进的比重法171；有机质采用重铬酸钾氧化外加热法【8】测定(FHZDZTR一0046)；全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法(FHZDZTR一0049)测定。2结果与分析2．1表层沉积物中有机碳的分布特征表层沉积物中TOC的含量在9．18N61．68g·kg一之间(表1)，空间分布总体呈现由北西向南东逐渐递p警龋小≯五号渔√H訾m4H掣m。甲m川Pm罗IFII叫大黟《⋯⋯掣m甲H掣衫>q9、／■一一／／1券：一p48．5mImI,l16．6116．7116．8116．9117117．1117．2117．3117．4117．5117．6117．7117．8117．9118Longitude(E)图1采样点分布示意图Figure1LocationofsamplingsiteinHulunhulake65432钾∞柏∞ 2338宋文杰等：呼伦湖沉积物有机碳的分布特征2011年11月减的趋势(图2)。原因可能有两方面：一方面，湖泊北西位置为新开河河流人湖处，并有渔业工作区(小河口渔场)，湖泊沉积物中有机质受来自新开河河流携带的生活污水和牲畜粪便等陆源输入的影响，造成北西湖区表层沉积物中TOC含量较高，同时资料显示呼伦湖西北岸线长达150km，西北部半干旱草原的人湖干草约达3350t，由于常年降水对地表的淋溶冲刷，有相当量的可溶性养分和颗粒物质被冲人湖中，造成面污染源负荷”；另一方面，北东湖区为深水区，南西湖区为浅水区”0l，不同水深湖区氧化还原环境有较大差异，深水区域由于大气复氧较难到达湖底，属还原环境，有机质难以分解，形成深水区为TOC高值区，浅水区为TOC低值区的空间分布特征。表层沉积物中重组碳(HFOC)的含量在9．02～61．47g·k91之间(表1)，平均34．32g·kg，占TOC的97，3l％～999％。HFOC的空间分布与TOC基本相同(图3)，这与HFOC为TOC的主导形态有关，原因与TOC空间分布原因一致。表层沉积物中轻组碳(LFOC)含量在0．02～0．86g·kg。1之间(表1)，平均表1呼伦湖表层沉积物中有机碳不同组分含量(g·kg。)Table1SpeeiationconcentrationoforganiccarboninHulunhusurfacesediments(g·kg。)49349249l喜49蛋雪。s9488487486117117l1172117．3117411751176117．71178Longitude(E)图2呼伦湖表层沉积物TOC水平分布格局Figure2HorizontaldistributionoftotalorganiccarboninsurfacesedimentsofHulunhulakeO32g·kg～，LFOC仪占TOC的0．05％～3．44％。空问分布上，LFOC表现为由北东向南西逐渐降低的趋势(图4)，LFOC主要由不同分解程度的植物残体和一些微生物结构体构成，分解速率快，是相对不稳定的活性碳组分。RuilinWent”的研究表明湖区北东方向为湖区深水区，有机质含量较高，沉积植物残体相对较高。根据李执强等”1I解释．土壤轻组有机质含量的分布不仅与年均温、降雨量及有效积温有关，而且与水热比有密切关系。高比例的HFOC和低比例LFOC说明重组有机质为湖泊沉积物有机质的主要组成部分．呼伦湖表层沉积物中有机碳库相对稳定。2．2沉积柱芯中有机碳组分的分布特征3个站位沉积柱芯中HFOC含量垂向上表现出随深度增加而逐渐递减的趋势(图5)，但HLH8波动相对较小，HLHI和HLH3变化波动较大，且表层沉积物中HFOC含量高，与LFOC的垂向变化正好相反，HFOC与LFOC表现较为明显的消长关系。此外，HLH8中HFOC和LFOC的含量均明显高于其他2个柱芯，这是因为HLH8站位(4．1m)的水深较HLHI(3,2m)和HLH3(3．1m)站位深，还原环境相对较强，有机质相对难以分解。HLHl、HLH3和HI，148沉积柱芯中LFOC同样表现随深度增加而递减的趋势(图6)，但垂向分布f：仍表现一定差异。HLHI和HLH3的LFOC含量整休缓慢渐变，HLH8站位LFOC则变化波动较大，3个柱芯曲线垂向上变化的不同仍与湖泊沉积物中有机碳来49·349249．I一毛49趸雪48948848．74861171J172117．311741175】17．61177117．8Longitude(E)图3呼伦湖表层沉积物HFOC水平分布格局Figure3lIorizontaldistributionofheavy—fractionorganiccarboninsurfacesedimentsofHulunhulake 第30卷第1I期农业环境科学报49349249l一毛49蛋}489j48848748611711172117311741175117611771178Longitude(E／图4呼伦湖表层沉积物LFOC水平分布格局Figure4Horizontaldistributionoflight—fractionorganiccarbonin$11rfacesedimentsofHulunhulake源的复杂性有关。n1于呼伦湖为开放性湖泊，每年随克鲁伦河、乌尔逊河和海拉尔河人湖的植物碎屑以及悬浮有机物都占有一定比例【12I，不同湖区不同历史时期接受的陆源输入以及内源沉积的LFOC含量不均匀．导致LFOC在3个柱芯中的垂向分布存在一定差异。垂向上，3个柱芯LFOC含量在lO一30cm处明星高于在O～10CE，且峰值出现在20～30cm层内，一方面这与LFOC在沉积物剖面巾的分布有所不同有关，另一方面，因呼伦湖水深一般小于5nl，湖泊表层沉积物易受风浪影响而发生再悬浮，沉积物中的LFOC被上覆水中的溶解氧分解，导致表层0～10cm沉积物中的LFOC含量较低。2．3有机碳和全氮的比值分析沉积物的C／N值可有效指示有机质的来源∽】。通常，有纤维束植物碎屑的C／N值大于20，无纤维束植物的C／N值为4—12。许多湖泊表层沉积物的C／N值为6一14”““。因此，可利用TOC／TN定性判识沉积物中有机质的来源I⋯。呼伦湖表层沉积物中，C／N值介于4．38～81．72之问，平均20．35，C／N值的变化幅度较大，反应呼伦湖表层沉积物中有机质的多源性。值得注意的是，位于湖边的HLH21、HLH26、HLH30和HLH34站位，C／N值分别高达54．00、68．23、8172和36．04，揭示了陆源图5呼伦湖沉积物柱芯中HFOC垂向分布Figure5Theverticaldistr；butionofheavy—fractionorganiccarboninlhdunhusedimentcores图6呼伦湖沉积物柱芯中LFOC垂向分布Figure6Theverticaldistributionoflight—fractionorganiccarboninlhdunhusedimentcores．．堂．芎§{】u；¨)u 2340宋文杰等：呼伦湖沉积物有机碳的分布特征2011年11月高等植物输入对沉积物中有机质来源的贡献率I"1。3结论呼伦湖表层沉积物中TOC以稳定的HFOC为主，HFOC占TOC的99％以卜，对TOC的积累有晕要作用，LFOC含量较低，表明呼伦湖有机碳碳库稳定。沉积柱芯中有机碳组分均随深度增加而递减，但渐变程度不同，这可能与湖泊有机碳来源以及不同湖区位置有关。沉积物中C／N值变化幅度较大，揭示呼伦湖沉积物中有机质的多源性。参考文献：【l】陈浮勤，黄耀，于贵瑞．地球系统碳循环【M]．北京：科学出版丰十2004．CHENFu--qin,HUANGYao，YUGui-rui．Earthsystemcarboncycle【MI．Beijing：SciencePress2004．【2J刘清玉，戴雪荣，王立群．巢湖沉积物有机碳分布变化特征叨．上海地质，2008(1)：13—17．LIUQing-yu，DAIXue-rong，WANGLi-qun．Thedistributioncharac-teristicsoforganiccarboninsedimentsoftheChaohuLake[J1．ShanghaiLand＆Resources，2008(1)：13—17．【3】JanzenHH，CampbellCA，BrabdtsA．Light-fractionorganicmatterinsoilsfromlong—termcroprotations[J]．SoilScienceSocietyofAmericaJournal，1992，56：1799—1806．【4]谢锦升，杨玉盛，解明曙，等．土壤轻组有机质研究进展叨．福建林学院学报，2006，26(3)：281-288．XIEJin-sheng,YANGYu-sheng，XIEMing—shu，eta1．Advanceofre-searchonlightfractionorganicmatterinsoil[J]．JoitFlzolofFujianCol—legeofForestry,2006，26(3)：281-288．[51杨春霞，王圣瑞，金相灿，等．轻组有机质对太湖沉积物氮、磷矿化的影响fJl．环境科学研究，2009，22(9)：1001—1007．YANGChun-xia，WANGSheng—mi，JINXiang—can，eta1．EffectoflightfractionorganicmatteronmineralizationofNandPinTaihuLakesediments[J]．ResearchofEnvironmentalSciences，2009，22(9)：1001一1007．【6】安树青．湿地生态工程【M】．北京：化学-亡业出版社，2003．ANShu—qing．Wetlandecologicalengineering[M]．Beijing：ChemicalIndustryPress，2003．【7】JanzenHH，CampbellCA，BrandtSA．Light—fractionorganicmatterinsoilsfromlong-termcroprotations[J]．SoilScienceSocietyofAmericaJoumd，1992，56：1799—1806．【8】张文菊，彭佩饮，童成立，等．洞庭湖湿地有机碳垂直分布与组成特征『J1_环境科学，2005，26(3)：56—60．ZHANGWenju，PENGPei—qin，TONGCheng-li，eta1．CharacteristicsofdistributionandcompositionoforganiccarboninDongtingLakefloodplain[J]．ChineseJOM蒯ofEnvironmentalScience，2005，26(3)：56-60．【9J9韩向红，杨持．呼伦湖白净功能及其在区域环境保护中的作用分析【JJ．自然资源报，2002，17(6)：685—687．HANXiang-hong，YANGChi．HulunhuLakeself-purificationfunctionanditsroleintheanalysisofregionalenvironmentalprotection[J]．Joat-nalofNmurdResources，2002，17(6)：685—687．【10】WenRuilin，XiaoJule，ChangZhigang，eta1．Holoceneclimatechangesinthemid-high—latitude-monsoonmarginreflectedbythepollenrecordfromHulunLake，northeasternInnerMongolia[J]．Qu疵n“7Research，2009，73(2010)：293—303．【11j李执强，汪景宽，曹宏杰，等．水热梯度变化及不同施肥处理对东北地区土壤轻组有机碳、氮的影响【J】．土壤通报，2009，40(5)：1014—1017．L1Zhi-qiang,WANGJing—kuan，CAOHong-jie，eta1．Effectofgradi-entsofprecipitationandtemperatureandfertilizationonlightfractionorganiccarbonandnitrogenofsoilsinNortheasternChina[J]．ChineseJoulTtolofSoilScience，2009，40(5)：1014—1017．【12】leeSY．Primaryproductivityandparticulateorganicmatterflowinanestuarinemangrove-wetlandinHungKong[Jj．MarineBiology,1990,106(3)：453—463．f131陈敬安，万国江．云南程海现代沉积物环境记录研究叽矿物学报，2000，20(2)：112—116．CHENJing—all，WANGuo-jiang．Environmentalrecordsinrecentsed-imentsofLakeChenghai，YunnanProvince[J]．ActaMineralogieaSini-ca,2000，20(2)：112—116．【14J白军红，邓伟，朱颜明，等．霍林河流域湿地土壤碳氮夺间分布特征及生态效应【J】．应用生态学报，2003，14(9)：1494—1498．BAIJun-hong，DENGWei，ZHUYan-mlng，eta1．SpatialdistributioncharacteristicsandecologicaleffectsofcarbonandnitrogenofsoilinHuolinRivercatchmentalwetland]J]．ChineseJourndofAppliedEcoZ—ogy，2003，14(9)：1494—1498．f151MayerL．Surfaceareacontroloforganiccarbonaccumulationinconti—nentalshelfsediments[J]．GeochimicaetCosmochimicaActa,1994，58(4)：1271—1284．【16】姚书春，李世杰．巢湖富营养化过程的沉积记录叨．沉积学报，2004，22(2)：343—347．YAOShu-chun．LIShi-jie．Sedimentaryrecordsofeutrophicationforthelast100yearsinChaohuLake田．ActaSedimentologicaSinieo,2004，22(2)：343—347．【171孙惠民，何汀，n昌伟，等．乌梁素海沉积物中有机质和全氮含量分布特征fJl．应用牛态学报，2006，17(4)：620—624．SUNHui—min，HEJiang，LVChang-wei，eta1．Characteristicsofor-ganiccarbonandtotalnitrogendistributioninthesedimentofWu-liangsuhaiLake[J]．ChineseJournalofAppliedEcology,2006。17(4)：620-624．